喷嘴雾化特性的试验及数值模拟

林鸿亮， 刘道银， 刘 猛， 陈晓平

（东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096）

国内外学者也对喷嘴雾化特性进行了大量的模拟研究.Ozer等［8］通过试验和数值模拟研究了气体雾化喷嘴的喷雾特性，发现CFD 软件可以很好地预测喷嘴雾化特性，并且雾化气体压力对喷雾特性有很重要的影响.钱丽娟等［9］对水在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟，研究了不同工况下液滴粒径沿轴向的变化趋势，并将数值模拟结果与试验结果在多种气液比下进行比较，两者吻合很好.刘闳钊等［10］对旋流喷嘴在脉动压力作用下的内部流动进行了数值模拟，发现瞬时流量和雾化角均呈现与脉动压力频率相同的周期性变化，且瞬时流量与雾化角之间相位相差一个π角.

以上研究主要集中于单个喷嘴的雾化特性，通过试验及数值模拟研究了单个喷嘴在不同工况下气液流场的变化规律.为了得到两个喷嘴相互作用的喷雾特性，笔者首先对不同类型的单个喷嘴进行喷雾试验，然后模拟两相喷嘴的喷雾特性，详细研究了雾化液滴平均直径随液体压力、轴向距离、径向距离和气液质量流量比（即气液比，air liquid ratio，ALR）的变化规律，在此基础上研究喷嘴水平间距对两个两相喷嘴喷雾特性的影响.

1 多喷嘴喷雾试验系统

喷嘴雾化试验系统如图1所示，喷嘴全部为水平喷射.以空气和水为工质，分别由空气压缩机和水泵提供.该系统可以自由切换单相（水）和两相（空气－水）喷嘴雾化，比较不同喷嘴实际雾化效果.

图1 喷嘴雾化试验系统图Fig.1 Experimental facility for nozzle atomization tests

试验中单相喷嘴为压力式细水雾化喷嘴，液体压力和水泵频率一一对应，两相喷嘴为双流体外混式喷嘴.两种喷嘴主要参数见表1.为了解喷嘴组合的喷雾特性，在试验台上同时安装两个喷嘴，考察喷嘴水平间距对喷雾雾化的影响，两个喷嘴的排布方式为同一高度平行同向布置.

表1 两种喷嘴主要参数Tab.1 Main parameters of the two nozzles

雾化液滴的平均直径采用LS－2000分体式激光粒度仪测量.激光粒度仪给出的是一条直线上的液滴平均直径的概率分布，即概率密度函数和概率密度分布函数.试验中测量位置为喷雾轴向特定距离处雾化截面.利用激光粒度仪自带的分析软件得到描述液滴平均直径的常用参数D32.D32是索泰尔平均直径，是指液滴流场内全部液滴的体积与总表面积的比值.根据定义，D32可以表示为

式中：D 为液滴的直径；dN 为液滴数增量.

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从式（1）可以看出，D32越小，即表示相同体积的液滴具有的表面积越大，因而雾化质量越好.笔者采用索泰尔平均直径来分析喷雾雾化特性.

2 不同喷嘴雾化试验比较

2.1 单相喷嘴雾化液滴平均直径的变化规律

单相喷嘴雾化液滴平均直径的变化规律如图2所示.其中，图2（a）为在给定径向距离条件下，单相喷嘴雾化液滴平均直径随液体压力和轴向距离的变化规律.从图2（a）可以看出，在相同轴向距离处，雾化液滴平均直径随液体压力的增大而减小；在液体压力相同时，雾化液滴平均直径随轴向距离的增大而增大.这是因为增大液体压力，提高了雾化能量，促进了液体分裂和液滴破碎.

图2（b）为雾化液滴平均直径沿径向距离的变化规律.从图2（b）可以看出，在相同径向距离处，雾化液滴平均直径随液体压力的增大而减小；在液体压力相同时，雾化液滴平均直径随径向距离的增大而增大.

图2 单相喷嘴雾化液滴平均直径随液体压力、轴向距离和径向距离的变化Fig.2 Single－phase nozzle droplet mean diameter for different liquid pressures，axial distances and radial distances

2.2 两相喷嘴雾化液滴平均直径的变化规律

在雾化射流中心轴线上，两相喷嘴雾化液滴平均直径随气液比和轴向距离的变化规律如图3 所示.从图3可以看出，在相同气液比时，雾化液滴平均直径随轴向距离的增大而增大，这主要是由于液滴之间的相互碰撞并粘结造成的；在相同轴向距离处，雾化液滴平均直径基本上随气液比的增大而减小，这是因为气液比越大，气体所占比例越大，从而气体压力和气体速度越大，气体对射流液体的撕裂和冲击作用更强，使得雾化液滴平均直径越小.

图3 两相喷嘴雾化液滴平均直径随气液比和轴向距离的变化Fig.3 Two－phase nozzle droplet mean diameter for different gasliquid ratios and axial distances

比较单相喷嘴和两相喷嘴发现，两相喷嘴由于气体的引入有助于减小雾化液滴的平均直径，通过改变两相流量的配比可以找到减小雾化液滴平均直径的途径，而单相喷嘴只有提高液体压力这个唯一的途径来减小雾化液滴平均直径，由于实际过程中液体压力的提升是有限的，因此雾化液滴平均直径的减小也有限.

2.3 两个两相喷嘴雾化液滴平均直径的变化规律

图4给出了在两个喷嘴雾化液滴质量流量均为20kg／h、间距L 为500mm 时，两个两相喷嘴雾化液滴平均直径随气液比和轴向距离的变化规律.从图4可以看出，在相同气液比时，雾化液滴平均直径随轴向距离的增大而增大.这是因为在喷嘴出口后方气泡的破裂造成包围在周围的液膜进一步破碎，形成较大的液滴，具有较大的动量和较强的贯穿能力，使之能够比小液滴扩散得更快，飞行的距离更远.此外液滴之间的相互碰撞和粘结也是造成雾化液滴平均直径逐渐增大的重要原因.

图4 两个两相喷嘴雾化液滴平均直径随气液比和轴向距离的变化Fig.4 Two two－phase nozzles droplet mean diameter for different gas－liquid ratios and axial distances

3 雾化模型和计算方法

由于试验过程中参数调节范围有限，为了更好地了解不同喷嘴的喷雾特性，弥补试验工况的不足，采用Fluent软件对喷嘴下游流场进行三维数值模拟.两相喷嘴出口示意图及计算域网格如图5所示，内圆为喷雾液滴出口，外环为气体出口，根据计算域网格设定喷射方向为x 正方向，竖直向上为y 正方向，右手定则确定z正方向.

图5 两相喷嘴出口示意图及计算域网格Fig.5 Schematic diagram of the two－phase nozzle outlet and its computational domain

以空气和水作为工作介质，先对气相进行模拟，采用隐式分离求解，在气相收敛时，再激活液滴相，采用非稳态求解液滴相.模型参数设置如下：液滴入口当量直径3.5mm，选用速度入口模型，液滴质量流量0.011kg／s，液滴速度20m／s，湍流度1%；气体入口当量直径0.85 mm，选用速度入口模型，气体合速度250m／s，湍流度4.8%；液滴出口当量直径600mm，选用压力出口模型，湍流度0.5%.湍流模型选用Realizable k－ε 模型，液滴相选用离散相模型（discrete phase model，DPM）中的喷雾雾滴破碎模型，在高速射流雾化中，韦伯数大于100，因此选用wave波动破碎模型；壁面采用无滑移、绝热壁面条件，忽略辐射传热对流场的影响，动量分量、湍动能分量和耗散率均采用具有二阶精度的二阶迎风差分格式，压力－速度耦合采用SIMPLE 算法，迭代过程中松弛因子保持默认值，离散相的时间步长取0.001s.

两个两相喷嘴的喷雾数值模拟参数设置参照单个两相喷嘴参数设置，仅各喷嘴液滴相质量流量减半，其余设置与单个两相喷嘴相同.

4 不同喷嘴数值模拟结果及分析

4.1 单个两相喷嘴气体流场与液滴流场

单个两相喷嘴下游流场数值模拟结果如图6所示.其中，图6（a）和图6（b）表示气体在下游流场的水平速度分布规律，两者的计算网格均为结构化网格，其中图6（a）的网格沿轴向均匀，图6（b）的网格沿轴向递增.图6（c）表示液滴在下游不同截面的平均直径分布规律.图6（d）表示液滴在下游不同截面的水平速度分布规律.

由图6可以看出：（1）气体流场分布数值模拟结果不随网格的变化出现较大的变化，满足数值模拟网格独立性的基本要求.（2）在水平射流初期，水平速度衰减较慢，速度变化很小，射流范围也较小，随着水平距离的增大，水平速度开始急剧衰减，射流范围开始逐渐扩大.其原因是随着射流的发展，载气与周围大气相互作用，产生卷吸现象，载气沿径向扩散且速度衰减.（3）液滴从喷嘴出口射出后，其平均直径经历了一个先减小后增大的过程，与图3中试验范围内（轴向距离100～300mm）结果吻合，说明了模拟结果的可靠性；液滴水平速度整体上呈现逐渐减小的变化趋势.根据液滴破碎和碰撞模型，在喷嘴出口处液滴和载气的相对速度以及液滴平均直径均较大，因此碰撞韦伯数较大，载气对液滴的挤压和撕裂作用较大，液滴易破碎.而在射流下游处，液滴的碰撞粘结作用占主导，因此液滴平均直径逐渐增大，液滴水平速度逐渐减小.

4.2 气体入射角度对气体气场和喷雾特性的影响

在入口边界条件设置中，不改变气体的速度大小（仍为250m／s），仅改变气体的入射角度，分别为与水平方向0°、20°、40°和60°夹角，得到气体水平速度分布，如图7所示.

从图7可以看出，整个气体流场的扩散角总是维持在一个稳定的数值，取平均值约为23.5°，不管气体入射角度如何变化，整个气场的边界和区域均一样.

式中：x 为从气体流场边界交点到沿射流方向某一横截面的水平距离；R 为截面x 处的气体流场半径.

图7 不同气体入射角度下两相喷嘴气体水平速度分布Fig.7 Distribution of gas flow field at different incidence angles

根据湍流特征，在某个截面处气体速度分布呈抛物线特征，再根据气体从喷嘴出口到截面x 处动量守恒，可以估算得到任意横截面中心处的气体水平速度值.

式中：umax为射流中心轴线气体最大水平速度；U 为喷嘴出口处气体水平速度.

根据数值模拟结果，选择其中一个工况（气体入射角度为60°）的数据，作气体水平速度沿射流中心轴线的分布图，如图8所示.其中，横坐标为x 与喷嘴出口孔径d 的比值，纵坐标为喷嘴出口处气体水平速度U 与umax的比值.该曲线拟合公式与上面的理论推导公式吻合，可以验证数值模型的正确性.

图9为不同气体入射角度下的两相喷嘴雾化液滴平均直径分布.从图9可以看出，气体入射角度变化时，雾化液滴平均直径变化不尽相同，但均呈现出相似的变化规律，即沿着喷射方向，雾化液滴平均直径呈现先减小后增大的整体变化趋势.

图8 单相喷嘴气体水平速度沿射流中心轴线的分布Fig.8 Distribution of horizontal gas velocity along centerline of single－phase nozzles

图9 不同气体入射角度下的两相喷嘴雾化液滴平均直径分布Fig.9 Distribution of droplet size at different incidence angles for two－phase nozzles

4.3 两个两相喷嘴模拟结果与分析

图10 为两个两相喷嘴同时喷射时的气体流场水平速度分布.模拟过程中，通过改变两个喷嘴的水平间距考察对整个气体流场的影响.喷嘴水平间距分别为200mm、300mm、400mm 和500mm.从图10可知，两个喷嘴各自的气体流场变化规律与单个喷嘴喷射时相似，喷嘴中间的流场比较稳定，由此可认为当两个喷嘴水平间距为200～500mm 时，两个喷嘴各自的气体流场几乎没有相互影响.

图11为两个两相喷嘴同时喷射时轴向的液滴平均直径分布.其中，横坐标表示沿着射流中心轴线方向的距离，纵坐标表示两个喷嘴所在平面中心轴线上的液滴平均直径.由图11可见，加入液滴后，不同喷嘴水平间距时，液滴平均直径沿轴向呈现先减小后增大的变化规律，这与单个喷嘴的液滴平均直 径变化规律相似.喷嘴水平间距对两个喷嘴整体的液滴平均直径分布影响很小.

图10 两个两相喷嘴不同水平间距时气体流场水平速度分布Fig.10 Distribution of gas flow field for different spaces between two－phase nozzles

图11 两个两相喷嘴不同水平间距时轴向液滴平均直径分布Fig.11 Distribution of droplet mean diameter for different spaces between two－phase nozzles

5 结 论

（1）对于单相喷嘴，在一定的轴向或者径向距离处，随着液体压力的增大，液滴平均直径减小；在一定的液体压力时，液滴平均直径随轴向或径向距离的增大而增大.

（2）对于两相喷嘴，随轴向距离的增大，液滴平均直径先减小后增大；随着气液比的增大，液滴平均直径逐渐减小.沿着喷射方向，液滴水平速度逐渐减小.

（3）单相喷嘴只能通过提高液体压力这个唯一的途径来减小液滴平均直径，改善雾化效果，由于液体压力的提升是有限的，因此液滴平均直径的减小也有限.两相喷嘴由于气体的引入有助于减小液滴平均直径，通过改变两相流量的配比可以找到减小液滴平均直径的途径.

（4）对于两相喷嘴模拟，改变气体入射角度，不会改变气体流场，但会改变液滴流场.气体流场的扩展角为23.5°，根据扩展角可以计算射流方向不同横截面的宽度和气体水平速度分布等参数；液滴流场随着气体入射角度的变化发生了一定的改变，但沿轴向液滴平均直径均呈先减小后增大的变化趋势.

（5）对于两个两相喷嘴模拟，喷嘴水平间距为200～500mm 时，两个喷嘴各自的气体流场几乎没有相互影响；液滴平均直径沿轴向呈先减小后增大的变化规律，与单个喷嘴变化规律相似，喷嘴水平间距对两个喷嘴整体的液滴平均直径分布影响很小.

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